核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置及方法

技术领域

本发明属于核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验技术领域，具体涉及一种核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置及实验方法。

背景技术

核反应堆板型燃料由芯体、框架和上下包壳板组成，具有传热特性良好，热稳定性好等优点，可以大幅度提高堆芯的功率体积比。但是相关实验研究表明，当核电厂发生事故时，如果处理不及时，板型燃料也会发生熔化，导致严重事故。而目前国内外对严重事故下板型燃料的行为研究较少。

由于板型燃料的芯体可能先于包壳熔化，当包壳由于辐照脆化、鼓泡、热应力等原因存在破口时，芯体熔融物会由破口流出，向堆芯下部迁移，形成了一种特殊的溪状流熔化迁移现象。熔融物的熔化迁移会影响堆芯内衰变热分布，导致流道堵塞，可能形成堆内熔池，对反应堆安全性造成威胁。因此，有必要对板型燃料溪状流熔化迁移行为进行实验研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置及实验方法，研究板型燃料的熔化行为以及不同包壳开孔尺寸、形状下的熔融物溪状流迁移特性，基于实验结果可以开发相应的机理模型，为板型燃料反应堆严重事故缓解措施的制定提供参考。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置，包括加热炉1，加热炉1壳体从内向外依次由内部加热层2、中间保温层3和外壳4组成，加热炉(1)壳体两侧开有耐高温石英玻璃视窗5；加热炉1内部存在温度稳定的恒温区6；支撑座7和板型燃料模拟件8放置于恒温区6；恒温区6内安装有K型热电偶9；支撑座7由底座10以及通过螺栓11连接在底座(10)上的可旋转固定架12组成；板型燃料模拟件8放置于支撑座7内，由下包壳13、存在开孔14的上包壳15、位于下包壳(13)和上包壳(15)端部间的中间格架16以及位于下包壳(13)、上包壳(15)和中间格架(16)间的芯体17组成，上包壳15表面贴有K型热电偶丝18，板型燃料模拟件8熔化后熔融物19从开孔14流出；激光装置分为激光发射装置20和激光接收装置21，激光发射装置20和激光接收装置21分别放置于加热炉1两侧，由激光发射装置20射出的激光束22透过耐高温石英玻璃视窗5穿过熔融物迁移路径到达激光接收装置21；熔融物19溪状流动过程中会阻断激光，也会流出激光束流道，激光接收装置21可以探测得到被阻断的激光束22的位置及阻断时间点；真空泵23通过第一排气管道24将加热炉1内的气体抽向储气罐25；排气管道24上安装有球阀26；加热炉1通过安全阀27与储气罐25相连；使用氩气瓶28通过充气管道29向加热炉1充氩气，氩气瓶出口有减压阀30，充气管道29上安装有球阀26；充气管道中间设置缓冲罐31；K型热电偶9、K型热电偶丝18、激光接收装置21、加热炉1与控制系统32相连；控制系统32可根据K型热电偶9测得的加热炉1内温度上升速率调整加热炉1功率，还可记录板型燃料模拟件8的温度，还可通过熔融物19阻断激光束22的时间点、流出激光束22光道的时间点、被阻断的激光束22的位置、重新到达激光接收装置21的激光束的位置计算熔融物19溪状流迁移形态、速度以及厚度；加热炉1装有压力表33，可检测加热炉1内压力；储气罐25通过安装有球阀26的第二排气管道34和安装有安全阀27的泄压管道35与外界环境相连通；实验装置能够研究不同倾角的核反应堆板型燃料模拟件的芯体17的熔化特性以及不同开孔14尺寸、形状下的熔融物19溪状流厚度、流速等迁移特性。

所述板型燃料模拟件8整体外观为长方形，高度为200mm；下包壳13、上包壳15的厚度为0.5mm，宽度为100mm；芯体17的厚度为1mm，宽度为8mm，高度为96mm，放置于下包壳13和上包壳15的中心位置，芯体17外部由中间格架16包围；开孔14的形状、尺寸可随意设定。

支撑座7的底座10、可旋转固定架12材料为不锈钢；底座10与加热炉1通过螺栓连接；板型燃料模拟件8的下包壳13、上包壳15、中间格架16为不锈钢材料，芯体17为锌金属。

所述激光发射装置20发射激光可穿透耐高温石英玻璃视窗5，单束激光直径为0.05mm，水平方向激光间距为0.05mm，高度方向激光间距为10mm，最上层激光距最下层激光200mm，最内侧激光距最外侧激光1mm。按照最内侧激光紧贴板型燃料模拟件8，且按照激光束22与板型燃料模拟件8平面平行的位置要求布置激光发射装置20和激光接收装置21。

所述的核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置的实验方法，在实验开始前，调整支撑座7的可旋转固定架12至指定倾角，拧紧螺栓11，将板型燃料模拟件8放置于可旋转固定架12内，并将支撑座7放置于加热炉1的恒温区6内，并拧紧可旋转固定架12与底座10的连接螺栓。在实验预热阶段，加热炉1的恒温区6在10-20min内升温至200℃，之后将加热炉1内气体通过真空泵23抽真空，以防止后期高温阶段中空气氧化熔融物，氩气瓶28向加热炉1内充氩气，直至压力达到0.095MPa。经过3-5轮重复抽气、充氩气后，将恒温区6快速加热至450℃，之后调整加热速率，以1℃/min的速度缓慢加热恒温区6，直至芯体17发生熔化，熔融物19通过开孔14流出上包壳15，阻断激光束22，第一束激光被阻断的时间点为芯体17熔化时间点，记录下K型热电偶丝18所测得的温度。芯体17熔化后，控制系统32不断调整加热炉功率，使恒温区6温度基本稳定。熔融物19以溪状流向下迁移的过程中会阻断激光束22，也会流出激光束22光道。激光接收装置21记录熔融物19阻断激光束22的时间点、流出激光束22光道的时间点、被阻断激光束22的位置、重新到达激光接收装置21的激光束22的位置，并传给控制系统32，控制系统32记录熔融物19溪状流迁移形态、计算其迁移速度以及溪状流厚度。当被阻断的激光束22在20min内不发生变化时，认为熔融物19流动达到稳定状态，调整加热炉1为零功率，使其缓慢冷却；实验结束后，通过分析实验结果，揭示不同倾角的核反应堆板型燃料的熔化行为机理以及不同开孔14尺寸、形状下的熔融物19溪状流厚度、流速等迁移行为机理。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

1.该实验装置的支撑座可调整固定架角度，可以研究不同倾角的核反应堆板型燃料的熔化行为机理。

2.该实验装置采用激光装置，可以得到熔融物溪状流迁移形态、迁移速度以及溪状流厚度等流动特性。

3.该实验装置的包壳开孔可任意指定，可以研究不同开孔尺寸、形状下的板型燃料溪状流迁移行为机理。

4.加热炉内安装有安全阀，当加热炉内超压，可将气体排入外部储气罐，有较好的安全性。

5.本发明中实验装置采用模块化设计，便于安装拆卸，可在短时间内进行多组实验工况。

附图说明

图1为核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置示意图。

图2为核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置支撑座示意图。

图3为核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置板型燃料模拟件示意图。

图中1为加热炉，2为内部加热层，3为中间保温层，4为外壳，5为耐高温石英玻璃视窗，6为恒温区，7为支撑座，8为板型燃料模拟件，9为K型热电偶，10为底座，11为螺栓，12为可旋转固定架，13为下包壳，14为开孔，15为上包壳，16为中间格架，17为芯体，18为K型热电偶丝，19为熔融物，20为激光发射装置，21为激光接收装置，22为激光束，23为真空泵，24为第一排气管道，25为储气罐，26为球阀，27为安全阀，28为氩气瓶，29为充气管道，30为减压阀，31为缓冲罐，32为控制系统，33为压力表，34为第二排气管道，35为泄压管道。

具体实施方式

下面通过结合附图对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明一种核反应堆板型燃料溪状流熔化迁移行为实验装置，包括加热炉1，加热炉1壳体由内部加热层2、中间保温层3和外壳4组成，两侧开有耐高温石英玻璃视窗5；加热炉1内部存在温度稳定的恒温区6；支撑座7和板型燃料模拟件8放置于恒温区6；板型燃料模拟件8放置于支撑座7内，恒温区6内安装有K型热电偶9。

如图2所示，支撑座7由底座10、通过螺栓11连接在底座10上的可旋转固定架12组成；底座10、可旋转固定架12材料为不锈钢；底座10与加热炉1通过螺栓连接；

由图3所示，板型燃料模拟件8由下包壳13、存在开孔14的上包壳15、中间格架16和芯体17组成。板型燃料模拟件8整体外观为长方形，高度为200mm；下包壳13、上包壳15的厚度为0.5mm，宽度为100mm；芯体17为厚度为1mm，宽度为8mm，高度为96mm，放置于下包壳13和上包壳15的中心位置，芯体17外部由中间格架16包围；开孔14的形状、尺寸可随意设定。板型燃料模拟件8的下包壳13、上包壳15、中间格架16为不锈钢材料，芯体17为锌金属。

上包壳15表面贴有K型热电偶丝18，板型燃料模拟件8熔化后熔融物19从开孔14流出；激光装置分为激光发射装置20和激光接收装置21，激光发射装置20和激光接收装置21分别放置于加热炉1两侧，由激光发射装置20射出的激光束22透过耐高温石英玻璃视窗5穿过熔融物迁移路径到达激光接收装置21；激光发射装置20发射的单束激光直径为0.05mm，水平方向激光间距为0.05mm，高度方向激光间距为10mm，最上层激光距最下层激光200mm，最内侧激光距最外侧激光1mm。按照最内侧激光紧贴板型燃料模拟件8，且按照激光束22与板型燃料模拟件8平面平行的位置要求布置激光发射装置20和激光接收装置21。

熔融物19溪状流动过程中会阻断激光，也会流出激光束流道，激光接收装置21可以探测得到被阻断的激光束22的位置及阻断时间点；真空泵23通过第一排气管道24将加热炉1内的气体抽向储气罐25；排气管道24上安装有球阀26；加热炉1通过安全阀27与储气罐25相连；使用氩气瓶28通过充气管道29向加热炉1充氩气，氩气瓶出口有减压阀30，充气管道上安装有球阀26；充气管道中间设置缓冲罐31；K型热电偶9、K型热电偶丝18、激光接收装置21、加热炉1与控制系统32相连；控制系统32可根据K型热电偶9测得的加热炉1内温度上升速率调整加热炉1功率，还可记录板型燃料模拟件8的温度，还可通过熔融物19阻断激光束22的时间点、流出激光束22光道的时间点、被阻断激光束22的位置、重新到达激光接收装置21的激光束的位置计算熔融物19溪状流迁移形态、速度以及厚度；加热炉1装有压力表33，可检测加热炉1内压力；储气罐25通过安装有球阀26的第二排气管道34和安装有安全阀27的泄压管道35与外界环境相连通；实验装置能够研究不同倾角的核反应堆板型燃料模拟件的芯体17的熔化特性以及不同开孔14尺寸、形状下的熔融物19溪状流厚度、流速等迁移特性。

下面详细说明本发明的实验方法具体如下：

整个实验在上述实验装置上进行，实验开始前需要对所有的电路、仪表和回路进行检查，保证实验的安全性。

在实验开始前，调整支撑座7的可旋转固定架12至指定倾角，拧紧螺栓11，将板型燃料模拟件8放置于可旋转固定架12内，并将支撑座7放置于加热炉1的恒温区6内，并拧紧可旋转固定架12与底座10的连接螺栓。

在实验预热阶段，加热炉1的恒温区6在10-20min内升温至200℃，之后将加热炉1内气体通过真空泵23抽真空，以防止后期高温阶段中空气氧化熔融物，氩气瓶28向加热炉1内充氩气，直至压力达到0.095MPa。经过3-5轮重复抽气、充氩气后，将恒温区6快速加热至450℃。

之后调整加热速率，以1℃/min的速度缓慢加热恒温区6，直至芯体17发生熔化，熔融物19通过开孔14流出上包壳15，阻断激光束22，第一束激光被阻断的时间点为芯体17熔化时间点，记录下K型热电偶丝18所测得的温度。芯体17熔化后，控制系统32不断调整加热炉功率，使恒温区6温度基本稳定。熔融物19以溪状流向下迁移的过程中会阻断激光束22，也会流出激光束22光道。激光接收装置21记录熔融物19阻断激光束22的时间点、流出激光束22光道的时间点、被阻断激光束22的位置、重新到达激光接收装置21的激光束22的位置，并传给控制系统32，控制系32记录熔融物19溪状流迁移形态、计算其迁移速度以及溪状流厚度。

当被阻断的激光束22在20min内不发生变化时，认为熔融物19流动达到稳定状态，调整加热炉1为零功率，使其缓慢冷却；

实验结束后，通过分析实验结果，揭示不同倾角的核反应堆板型燃料的熔化行为机理以及不同开孔14尺寸、形状下的熔融物19溪状流厚度、流速等迁移行为机理。

本发明可用于板型燃料严重事故熔化迁移行为实验中。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。